(1. 西安航空學(xué)院， 陜西西安 710077； 2. 西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 陜西西安 710089； 3. 西北工業(yè)大學(xué)， 陜西西安 710072； 4. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川成都 610015)

引言

作動(dòng)筒也稱液壓缸，是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用在飛機(jī)的操控系統(tǒng)中， 控制飛機(jī)上的各控制面和運(yùn)動(dòng)部件。清洗和油封是作動(dòng)筒在加工生產(chǎn)過程中的重要工序，影響液壓產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性和安全性。液壓作動(dòng)筒的污染雜質(zhì)主要是生產(chǎn)安裝過程以及在作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的金屬粉末、焊圾、電鍍、發(fā)藍(lán)層磨削下來的氧化物等[1]。通常采用的清洗辦法是：用清潔的液壓油反復(fù)多次沖洗，依靠清洗設(shè)備上高精度油濾過濾雜質(zhì)，在離線采集油樣，檢測油樣，達(dá)標(biāo)后進(jìn)入油封工序。操作繁瑣復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，為此，研制了清洗油封一體化試驗(yàn)裝置。

本設(shè)備是一個(gè)液壓與氣動(dòng)相結(jié)合的系統(tǒng)，利用活塞式蓄能器存儲(chǔ)油封用液壓油，通過對不同功能、型號作動(dòng)筒的一次裝夾，完成給不同作動(dòng)筒及附件提供清洗及油封功能，并完成作動(dòng)筒生產(chǎn)中要求的啟動(dòng)壓力特性試驗(yàn)、低壓力泄漏試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、內(nèi)泄試驗(yàn)，具有一定的通用性。試驗(yàn)臺(tái)主要組成包括PLC及觸摸屏構(gòu)成的電氣控制操作系統(tǒng)、傳感器及控制器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、進(jìn)行清洗試驗(yàn)及油封試驗(yàn)的油源系統(tǒng)以及由便攜式污染度檢測儀表構(gòu)成的污染檢測系統(tǒng)[2]。整個(gè)系統(tǒng)通過觸摸屏可進(jìn)行試驗(yàn)流程和試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定；提供手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作界面。在PLC與傳感器的控制器之間運(yùn)用RS485通訊，為用戶操作提供指示信息，同時(shí)，建立用戶試驗(yàn)程序和參數(shù)數(shù)據(jù)庫，允許用戶對歷史試驗(yàn)程序和參數(shù)進(jìn)行記錄、調(diào)用和編輯等操作，根據(jù)用戶要求的采樣參數(shù)、采樣頻率、采樣時(shí)間等要求實(shí)時(shí)記錄采集數(shù)據(jù)；對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分析、繪制曲線等后處理。

本設(shè)備的特點(diǎn)主要有：

操作簡便、自動(dòng)化程度高。設(shè)備的操作采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，手動(dòng)操作手柄、按鈕均有提示標(biāo)牌。當(dāng)選擇自動(dòng)控制時(shí)，PLC可以完成油泵的啟、停、調(diào)壓、卸荷等控制，可以依照用戶的設(shè)定自動(dòng)完成對被試件的清洗，清洗完成后，調(diào)節(jié)清洗油封設(shè)備，進(jìn)入油封環(huán)節(jié)，對被試件進(jìn)行約為0.02～0.8 MPa的油封操作，完成油封工序的要求。實(shí)驗(yàn)過程中對有關(guān)壓力、溫度、液位等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警或自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)處理[3]。結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于維護(hù)。在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用集成閥塊安裝，減少外部管路和接頭。在元、部件選型時(shí)，選用性能和質(zhì)量有保證的品牌。設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到拆裝空間，方便拆裝。電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到一定的通用性，便于升級。在臺(tái)架設(shè)計(jì)、傳感器和控制閥等選型、控制方案選擇上盡量兼顧不同的被試件和不同的運(yùn)動(dòng)控制要求。本系統(tǒng)中應(yīng)用了壓力和溫度控制器，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)該控制器具有RS485通訊端口，可以實(shí)現(xiàn)PLC與控制器通訊[4]。

1 作動(dòng)筒清洗油封一體化試驗(yàn)裝置的要求

1.1 主要功能

(1) 可實(shí)現(xiàn)對被試件進(jìn)行額定次數(shù)的清洗試驗(yàn)；

(2) 可實(shí)現(xiàn)油源的自動(dòng)控制；

(3) 可實(shí)現(xiàn)通過變頻器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的無極調(diào)速以滿足試驗(yàn)所需的連續(xù)可調(diào)的壓力要求；

(4) 可實(shí)現(xiàn)電磁換向閥以一定頻率自動(dòng)換向；

(5) 可檢測壓力、溫度及污染等，可進(jìn)行故障報(bào)警與故障處理；

(6) 可顯示、保存數(shù)據(jù)，以供以后瀏覽與查閱；

(7) 本系統(tǒng)提供了額定的靜態(tài)壓力，可以對被試件進(jìn)行油封試驗(yàn)，并且油封完成后在此壓力下保壓5 min[5]；

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

(1) 供油壓力：清洗試驗(yàn)5～12 MPa，連續(xù)可調(diào)；油封0.02～0.8 MPa，連續(xù)可調(diào)；

(2) 回油壓力：不大于0.6 MPa；

(3) 供油流量：機(jī)械泵流量4～20 L/min；

(4) 油液溫度： +20～+55 ℃；

(5) 管路材料采用1Cr18Ni9Ti制造，法蘭、接頭，緊固件等采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料；

(6) 輸入電源：三相380 VAC，50 Hz；

(7) 清洗換向頻率：1～10 s/次；

(8) 保護(hù)功能：短路保護(hù)、過載保護(hù)、內(nèi)部過溫保護(hù)等；

(9) 試驗(yàn)臺(tái)初次使用能正常工作350 h而不需要修理；平均故障間隔時(shí)間MTBF≥1000 h；總使用壽命≥10000 h；

(10) 油液污染度等級：優(yōu)于GJB 420A-6/A級。

2 工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的核心控制器是PLC控制器，它可以通過觸摸屏對泵站、油箱溫度以及系統(tǒng)供油壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，按照設(shè)定的頻率控制電磁換向閥的換向，從而完成被試件的清洗和油封試驗(yàn)，本方案中溫度的采集使用了溫度控制器來對溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，通過RS485與PLC通訊，壓力信號采用輸入模塊進(jìn)入PLC進(jìn)行控制[6]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清洗試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)備組成

清洗油封設(shè)備主要由液壓油源1、液壓操作臺(tái)2、作動(dòng)筒安裝臺(tái)3、琴式電器控制臺(tái)4及油冷機(jī)組成。清洗試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 清洗試驗(yàn)系統(tǒng)布局圖

2.3 液壓系統(tǒng)概述

本動(dòng)力源為固定式泵源，采用立體安裝結(jié)構(gòu)，即：上部布置油箱，下部布置泵站。采用恒壓變量柱塞泵為系統(tǒng)供油，泵的出油口分別連接板式濾油器，油路控制采用了1個(gè)電磁換向閥和2個(gè)梭閥完成換向，以此完成對被試件的清洗[7-8]。清洗完成后，調(diào)節(jié)清洗油封設(shè)備，控制氣動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)入油封環(huán)節(jié)，對被試件進(jìn)行約為0.02～0.8 MPa的油封操作，完成油封工序的要求。 系統(tǒng)中配有油冷機(jī)，可在系統(tǒng)長時(shí)間工作的情況下，可以迅速有效地抑制系統(tǒng)升溫。動(dòng)力源輸出油液污染度是由便攜式污染度檢測儀表來進(jìn)行檢測，其單獨(dú)配置，獨(dú)立使用，并且能夠顯示并打印檢測結(jié)果。液壓安全設(shè)計(jì)有帶電磁卸荷的手動(dòng)溢流閥、電磁比例溢流閥和1個(gè)手動(dòng)截止閥，電氣安全配套有短路、過載和過熱保護(hù)[9-10]。

液壓系統(tǒng)主要由以下三部分組成：液壓油源部分、三位四通比例換向閥控制的換向清洗部分、氣動(dòng)減壓閥和活塞式蓄能器組成的油封部分。液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

1) 工作流程

清洗實(shí)驗(yàn)：油箱→吸油口球閥→油泵→濾油器→單向閥→電磁換向閥→梭閥→被清洗件→梭閥→回油濾→油箱。

油封實(shí)驗(yàn):氮?dú)庠础鷼鉃V→氣體安全活門→氣液油箱→電控截止閥→試件。

冷卻系統(tǒng)油路為：油箱→油冷器→油箱。

圖3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2) 操作步驟

(1) 啟動(dòng)電機(jī)，升壓至規(guī)定壓力；

(2) 開始試驗(yàn)；

(3) 試驗(yàn)完畢，分別或同時(shí)調(diào)整壓力至極小值；

(4) 卸荷電磁溢流閥；

(5) 關(guān)閉泵。

2.4 電氣控制系統(tǒng)及硬件電路設(shè)計(jì)

1) 總體概述

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PLC及其觸摸屏來完成對外部系統(tǒng)的控制，PLC接收來自觸摸屏上的指令信息，以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制、用戶程序的下載、數(shù)據(jù)共享等功能。觸摸屏還能夠連接彩色打印機(jī)用于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的輸出，數(shù)據(jù)信號的采集是通過與PLC配套的各種采集模塊構(gòu)成，包括模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸出模塊和開關(guān)量輸出模塊，這些模塊分別完成對壓力、流量、溫度、液位的檢測與液壓附件的控制[11-12]。硬件電路總體框圖如圖4所示。

圖4 硬件電路總體框圖

2) 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)采用PLC及觸摸屏構(gòu)成的電氣控制操作系統(tǒng)。所有輸入信號通過PLC模塊進(jìn)入PLC。通過RS485總線與上位機(jī)和觸摸屏連接。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇以下PLC系統(tǒng)組件。其中模擬量輸入共6路信號，選擇8路模塊；數(shù)字量輸入共5路信號，采用8路模塊；模擬量輸出共1路，選擇4路模塊；24 V開關(guān)量輸出共2路信號，選擇8路模塊[13]。PLC型號選擇如圖5所示。

3 清洗油封試驗(yàn)裝置測控界面

清洗油封試驗(yàn)自動(dòng)操作界面包括7個(gè)部分，最頂部為系統(tǒng)的超限報(bào)警，中間一層的左側(cè)部分為清洗試驗(yàn)控制界面，中間一層的中間部分為系統(tǒng)的壓力、溫度檢測及壓力控制，中間一層的右側(cè)部分是油封試驗(yàn)操作界面，左下圖為溫控界面，下面中間部分為電機(jī)操作界面，右下圖為試驗(yàn)的啟停界面[14]，清洗油封試驗(yàn)軟件測控界面如圖6所示。

圖5 PLC型號選擇

歷史數(shù)據(jù)瀏覽界面可完成對所采集的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示?？梢赃x擇所要瀏覽數(shù)據(jù)的起始時(shí)間、時(shí)間長度、數(shù)據(jù)所在文件夾、瀏覽數(shù)據(jù)名稱，并可對歷史數(shù)據(jù)打印輸出[15]，傳感器標(biāo)定界面如圖7所示。

圖6 清洗油封試驗(yàn)自動(dòng)操作界面設(shè)計(jì)圖

圖7 傳感器標(biāo)定界面

計(jì)算零偏增益，用于修正軟件上的測量值。計(jì)算零偏、增益需要至少兩組數(shù)據(jù)，且保證兩組數(shù)據(jù)差距盡量大，避免數(shù)據(jù)接近或相同面[16]，數(shù)據(jù)瀏覽界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)瀏覽操作界面

4 結(jié)論

這是一個(gè)典型的液壓與氣動(dòng)相結(jié)合的系統(tǒng)，利用活塞式蓄能器存儲(chǔ)油封用液壓油，通過對不同功能、型號作動(dòng)筒的一次裝夾，完成清洗、油封兩道工序的復(fù)雜要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該設(shè)備通過對作動(dòng)筒多次往復(fù)的沖洗，生產(chǎn)、組裝過程中的鍍層、氧化物、焊圾等雜質(zhì)得到有效清理，滿足飛機(jī)對液壓元件清潔度的要求。設(shè)備大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)緊湊，人機(jī)交互界面良好，功能完善，生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度較高，具有一定的通用性。